機械電子工程原理第一章緒論

1、機械電子工程原理機械電子工程原理第一章第一章 緒論緒論21.1機械電子工程的概念及發(fā)展過程機械電子工程的概念及發(fā)展過程 nMechatronics（機械電子工程或機械電子學）是（機械電子工程或機械電子學）是20世紀世紀70年代首先在日本被提出來用于描述機械年代首先在日本被提出來用于描述機械工程和電子工程有機結合的一個術語，這個詞的工程和電子工程有機結合的一個術語，這個詞的英文原名是取機械學（英文原名是取機械學（Mechanics）的前半部分和）的前半部分和電子學（電子學（Electronics）的后半部分組合而成的。）的后半部分組合而成的。 Mechanics+ Electronics= Me

2、chatronics3機械工程的演進機械工程的演進n有史以來，機械系統(tǒng)就進入了人類社會的每個角落。最簡有史以來，機械系統(tǒng)就進入了人類社會的每個角落。最簡單的機械裝置，如齒輪、滑輪、彈簧及車輪組成了工具的單的機械裝置，如齒輪、滑輪、彈簧及車輪組成了工具的基礎?；A。n十八世紀末第一次技術革命以來，機械工程逐步發(fā)展成為十八世紀末第一次技術革命以來，機械工程逐步發(fā)展成為重要的基礎工業(yè)部門，并為其它工業(yè)部門提供基本裝備。重要的基礎工業(yè)部門，并為其它工業(yè)部門提供基本裝備。n機械工程可分為兩大類，即制造類的機械工程和動力類的機械工程可分為兩大類，即制造類的機械工程和動力類的機械工程。機械工程。制造類的機械

3、工程可分為毛坯制造、機械加工和裝配等三個生產制造類的機械工程可分為毛坯制造、機械加工和裝配等三個生產過程；過程；動力類的機械工程主要研究的是各種發(fā)動機，如蒸汽發(fā)動機、內動力類的機械工程主要研究的是各種發(fā)動機，如蒸汽發(fā)動機、內燃機、燃氣輪機和噴氣發(fā)動機等。燃機、燃氣輪機和噴氣發(fā)動機等。4制造類的機械工程發(fā)展階段制造類的機械工程發(fā)展階段n制造類的機械工程發(fā)展可劃分為四個時期：制造類的機械工程發(fā)展可劃分為四個時期：手工機械時期手工機械時期蒸汽動力的簡單機械時期蒸汽動力的簡單機械時期電機驅動的精密化和半自動化時期電機驅動的精密化和半自動化時期數控和群控的自動化時期。數控和群控的自動化時期。5機械與電子

4、的結合機械與電子的結合n隨著科學和技術的發(fā)展，機械系統(tǒng)變得越來越復雜，隨著科學和技術的發(fā)展，機械系統(tǒng)變得越來越復雜，對動力或動作控制的要求也越來越高，因此，機械工對動力或動作控制的要求也越來越高，因此，機械工程越來越緊密地和電子技術、尤其是計算機技術聯(lián)系程越來越緊密地和電子技術、尤其是計算機技術聯(lián)系在一起。在一起。n電子技術完全是屬于電子技術完全是屬于20世紀的。迄今為止，電子技術世紀的。迄今為止，電子技術一直被用來提高機械系統(tǒng)的性能，但重點仍放在機械一直被用來提高機械系統(tǒng)的性能，但重點仍放在機械系統(tǒng)上，從來沒有如何實現機電一體化的主導計劃。系統(tǒng)上，從來沒有如何實現機電一體化的主導計劃。n過去

5、，機械和電子一體化是通過相互沒有直接聯(lián)系的過去，機械和電子一體化是通過相互沒有直接聯(lián)系的“塊和塊塊和塊”之間的結合來完成的。然而最近由于電子之間的結合來完成的。然而最近由于電子學和用它來簡化機械結構方面引人注目的進展，技術學和用它來簡化機械結構方面引人注目的進展，技術界和學術界開始重新評價機械和電子這兩種原理的有界和學術界開始重新評價機械和電子這兩種原理的有機結合。機結合。6機械與電子的結合機械與電子的結合n現在對機械電子系統(tǒng)的看法是：除了現在對機械電子系統(tǒng)的看法是：除了“塊塊與塊與塊”之間的動力（肌肉）聯(lián)系之外，還之間的動力（肌肉）聯(lián)系之外，還有信息（神經）之間的相互聯(lián)系，并由具有信息（神經

6、）之間的相互聯(lián)系，并由具有數值運算和邏輯推理能力的計算機來對有數值運算和邏輯推理能力的計算機來對機械電子系統(tǒng)的所有信息進行智能處理。機械電子系統(tǒng)的所有信息進行智能處理。n機械電子工程的本質是：機械與電子技術的規(guī)劃機械電子工程的本質是：機械與電子技術的規(guī)劃應用和有效的結合，以構成一個最優(yōu)的產品或系應用和有效的結合，以構成一個最優(yōu)的產品或系統(tǒng)統(tǒng) 。7機械電子的設計思想機械電子的設計思想n在激烈競爭的環(huán)境中，只有用電子學和機械工程在激烈競爭的環(huán)境中，只有用電子學和機械工程有效結合生產出來的產品才有可能取勝。有效結合生產出來的產品才有可能取勝。n一般說來，在這種結合過程中，一般說來，在這種結合過程中，

7、一個易犯的錯誤一個易犯的錯誤是：電子學在工業(yè)中的應用受到遏制是：電子學在工業(yè)中的應用受到遏制。n在許多產品的革新中，人們總是先從機械部分在許多產品的革新中，人們總是先從機械部分（硬件）著手，但實際上最好的方法應該是在設（硬件）著手，但實際上最好的方法應該是在設計初期用電子學、控制工程和計算機等技術進行計初期用電子學、控制工程和計算機等技術進行設計。設計。n這種打破傳統(tǒng)束縛的機械和電子工程結合的核心這種打破傳統(tǒng)束縛的機械和電子工程結合的核心在于采用機械電子工程的方法進行設計，在于采用機械電子工程的方法進行設計，并且這并且這也是對當今發(fā)展深刻領會的關鍵。也是對當今發(fā)展深刻領會的關鍵。 8產品開發(fā)和

8、工程設計過程產品開發(fā)和工程設計過程n產品開發(fā)和工程設計產品開發(fā)和工程設計是包括許多技術和學是包括許多技術和學科在內的相互作用的科在內的相互作用的復雜過程復雜過程 圖圖1.1 產品開發(fā)過程產品開發(fā)過程圖圖1.2 工程設計過程工程設計過程9機械電子的設計思想機械電子的設計思想n機械電子工程并不是一機械電子工程并不是一門有嚴格界線并且獨立門有嚴格界線并且獨立的工程學科，而是在設的工程學科，而是在設計過程中一個綜合的思計過程中一個綜合的思想。在完成這種綜合的想。在完成這種綜合的過程中，機械電子工程過程中，機械電子工程把它的核心部分把它的核心部分機械機械工程、電子工程、計算工程、電子工程、計算機技術機技

9、術與許多種不同與許多種不同的領域，如制造技術、的領域，如制造技術、管理技術和生產加工實管理技術和生產加工實踐等結合在一起。踐等結合在一起。10機械電子設計思想實例機械電子設計思想實例n事實上，用機械電子工程的設計方法設計出來的事實上，用機械電子工程的設計方法設計出來的機械系統(tǒng)比全部采用機械裝置的方法更簡單，所機械系統(tǒng)比全部采用機械裝置的方法更簡單，所包含的元件和運動部件較少。例如，在以機電方包含的元件和運動部件較少。例如，在以機電方法設計的一臺縫紉機內，利用一塊單片集成電路法設計的一臺縫紉機內，利用一塊單片集成電路控制針腳花樣，可以代替老式縫紉機約控制針腳花樣，可以代替老式縫紉機約350個部件

10、。個部件。 111.2機械電子工程在產品及其設計中的應用機械電子工程在產品及其設計中的應用n本課程所討論的機電系統(tǒng)，是以完成動作的傳遞、本課程所討論的機電系統(tǒng)，是以完成動作的傳遞、變換，以及機械能的利用為其主要功能的變換，以及機械能的利用為其主要功能的 。n早期的機電一體化產品主要強調的是物理上和動早期的機電一體化產品主要強調的是物理上和動力上的聯(lián)結，而力上的聯(lián)結，而20世紀世紀80年代末以來，機電產品年代末以來，機電產品越來越強調基于傳感器信息的驅動，這樣可以實越來越強調基于傳感器信息的驅動，這樣可以實現更加精準的動作?，F更加精準的動作。n對目前已有的機電產品，有必要把它們區(qū)分為以對目前已有

11、的機電產品，有必要把它們區(qū)分為以下兩類情況：下兩類情況：用機械電子技術對現有產品進行改造以提高其性能；用機械電子技術對現有產品進行改造以提高其性能；用機械電子方法設計開發(fā)全新的產品。用機械電子方法設計開發(fā)全新的產品。12用機械電子技術對現有產品進行改造用機械電子技術對現有產品進行改造n照相機：增加自動調焦、調光圈和快門系統(tǒng)，因照相機：增加自動調焦、調光圈和快門系統(tǒng)，因此，拍照時只需找到被攝物體的位置而不需要掌此，拍照時只需找到被攝物體的位置而不需要掌握任何專門攝影技術。握任何專門攝影技術。膠卷相機膠卷相機數碼相機數碼相機13用機械電子技術對現有產品進行改造用機械電子技術對現有產品進行改造n加工

12、設備加工設備 ：動力裝置（如鉆孔機床）具有速度和：動力裝置（如鉆孔機床）具有速度和扭矩控制，正反轉和加速度控制等特點。扭矩控制，正反轉和加速度控制等特點。數控鉆銑床數控鉆銑床立式鉆床立式鉆床14用機械電子技術對現有產品進行改造用機械電子技術對現有產品進行改造n發(fā)動機和傳動裝置：發(fā)動機和動力控制系統(tǒng)可以發(fā)動機和傳動裝置：發(fā)動機和動力控制系統(tǒng)可以減少排放物、提高燃料效率、防止在低速狀態(tài)下減少排放物、提高燃料效率、防止在低速狀態(tài)下注入過多的燃料而引起驅動裝置誤動作，并且具注入過多的燃料而引起驅動裝置誤動作，并且具有反鎖制動和換檔等特點。有反鎖制動和換檔等特點。 15用機械電子方法設計開發(fā)全新的產品用

13、機械電子方法設計開發(fā)全新的產品n袖珍式光盤放像機：該系統(tǒng)中的激光系統(tǒng)用來從袖珍式光盤放像機：該系統(tǒng)中的激光系統(tǒng)用來從盤上讀取數字編碼信號，其控制是由一個微處理盤上讀取數字編碼信號，其控制是由一個微處理系統(tǒng)完成的，此系統(tǒng)還具有磁道選擇、掃描和預系統(tǒng)完成的，此系統(tǒng)還具有磁道選擇、掃描和預檢等功能。檢等功能。 16用機械電子方法設計開發(fā)全新的產品用機械電子方法設計開發(fā)全新的產品n模塊化機器人：普通工模塊化機器人：普通工業(yè)機器人的幾何結構限業(yè)機器人的幾何結構限制了其功能，而模塊化制了其功能，而模塊化機器人，由于其眾多的機器人，由于其眾多的結構單元和執(zhí)行器是由結構單元和執(zhí)行器是由一個中央控制器控制的，一

14、個中央控制器控制的，克服了普通機器人的缺克服了普通機器人的缺點，用戶可以根據自己點，用戶可以根據自己的需要來選擇單元。的需要來選擇單元。17機械電子工程的設計思想機械電子工程的設計思想n在第一類產品中，由于在最初的設計中只考慮了在第一類產品中，由于在最初的設計中只考慮了動力之間的聯(lián)系，而沒有考慮動力之間的聯(lián)系，而沒有考慮“信息驅動信息驅動”，因，因此傳感器和控制器是在后來的改造中加上去的，此傳感器和控制器是在后來的改造中加上去的，某些時候就有可能因為零部件或元器件的性能或某些時候就有可能因為零部件或元器件的性能或者安裝空間不能滿足要求而使改造失敗。者安裝空間不能滿足要求而使改造失敗。n而對第二

15、類產品，由于在一開始設計的時候就同而對第二類產品，由于在一開始設計的時候就同時考慮了動力和信息之間的聯(lián)系，特別是強調了時考慮了動力和信息之間的聯(lián)系，特別是強調了通過通過“嵌入式嵌入式”設計來實現設計來實現“機電一體機電一體”，產品，產品性能得到了極大的提高。性能得到了極大的提高。n用機械電子方法進行工程設計的核心是將電子技用機械電子方法進行工程設計的核心是將電子技術和計算機技術與機械系統(tǒng)有機地結合起來。術和計算機技術與機械系統(tǒng)有機地結合起來。18構成機械電子系統(tǒng)的模塊構成機械電子系統(tǒng)的模塊 n工程設計中的機械電工程設計中的機械電子方法與系統(tǒng)結構的子方法與系統(tǒng)結構的配置有關，在這種方配置有關，在

16、這種方法中，可以實現各種法中，可以實現各種技術的集成，并對其技術的集成，并對其進行評估。為達到這進行評估。為達到這個目的，通常采用一個目的，通常采用一種基于信息的自頂向種基于信息的自頂向下的策略，就可以將下的策略，就可以將系統(tǒng)分解成一些模塊。系統(tǒng)分解成一些模塊。19構成機械電子系統(tǒng)的模塊構成機械電子系統(tǒng)的模塊n在設計過程中的每一階段在設計過程中的每一階段(級級)，能夠確定每個模，能夠確定每個模塊提供的信息特征，這樣，就可以按特征塊提供的信息特征，這樣，就可以按特征(而不是而不是形式形式)來傳遞信息。在較高級上所定義的模塊其本來傳遞信息。在較高級上所定義的模塊其本身就構成了一個機械電子系統(tǒng)。在這

17、種情形下，身就構成了一個機械電子系統(tǒng)。在這種情形下，對下一級的詳細描述，就構成了進一步的模塊子對下一級的詳細描述，就構成了進一步的模塊子集。集。n采用這種方法，整個系統(tǒng)中的每個部件的設計，采用這種方法，整個系統(tǒng)中的每個部件的設計，都可以從與該部件與其它部件的相關處著手。而都可以從與該部件與其它部件的相關處著手。而管理這樣的一個設計過程是一個復雜的問題，至管理這樣的一個設計過程是一個復雜的問題，至今還沒有切實可行的通用解決辦法。今還沒有切實可行的通用解決辦法。 201.3機械電子工程在制造業(yè)中的應用機械電子工程在制造業(yè)中的應用 n要使制造業(yè)能快速適應市場，要求生產的產品品要使制造業(yè)能快速適應市場

18、，要求生產的產品品種多、轉產快，就需要有與之相適應的制造系統(tǒng)。種多、轉產快，就需要有與之相適應的制造系統(tǒng)。 n在制造業(yè)的廣大領域內，采用機械電子方法設計在制造業(yè)的廣大領域內，采用機械電子方法設計的主要優(yōu)點是：制造系統(tǒng)的結構易于改變，且產的主要優(yōu)點是：制造系統(tǒng)的結構易于改變，且產品的質量可以順利地上檔次。品的質量可以順利地上檔次。 n近年來，英、美等國的基礎制造業(yè)由于缺乏應變近年來，英、美等國的基礎制造業(yè)由于缺乏應變能力而受到了嚴重的影響，在與日本同行競爭中能力而受到了嚴重的影響，在與日本同行競爭中處于劣勢處于劣勢 。 n日本人認為產品革新的未來屬于那些能將電子系日本人認為產品革新的未來屬于那些

19、能將電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機地結合起來的人們，并已經在統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機地結合起來的人們，并已經在這些方面卓有成效。這些方面卓有成效。 21柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)n增加加工過程靈活性的要求，導致了柔性制造系增加加工過程靈活性的要求，導致了柔性制造系統(tǒng)（統(tǒng)（FMS）的產生和發(fā)展。）的產生和發(fā)展。 n柔性制造系統(tǒng)包括許多單元，如數控機床、機器柔性制造系統(tǒng)包括許多單元，如數控機床、機器人和物流小車等，用這些單元的組合可以成批加人和物流小車等，用這些單元的組合可以成批加工產品。系統(tǒng)中各個單元之間的信息傳遞是由局工產品。系統(tǒng)中各個單元之間的信息傳遞是由局域網絡（域網絡（LAN）實現的。在生產環(huán)境內部，這些

20、）實現的。在生產環(huán)境內部，這些相互聯(lián)系的部分都是作為自動化系統(tǒng)的獨立單元相互聯(lián)系的部分都是作為自動化系統(tǒng)的獨立單元使用的。使用的。 22用于生產控制的分層通訊系統(tǒng)用于生產控制的分層通訊系統(tǒng) n在建立整個加工過程信息交換模型時，使用了制造在建立整個加工過程信息交換模型時，使用了制造自動化通訊協(xié)議（自動化通訊協(xié)議（MAP）、技術管理通訊協(xié)議）、技術管理通訊協(xié)議（TOP）和開放系統(tǒng)互聯(lián)標準（）和開放系統(tǒng)互聯(lián)標準（OSI）等標準）等標準 。23機械電子在制造業(yè)中應用范例機械電子在制造業(yè)中應用范例n就化工廠本身而言，可以看作是一個機械電子系統(tǒng)，微處就化工廠本身而言，可以看作是一個機械電子系統(tǒng)，微處理機和

21、相關信息處理技術的使用，對分布式控制和局部決理機和相關信息處理技術的使用，對分布式控制和局部決策能力都起了重要的作用。分布式系統(tǒng)的使用，也使工廠策能力都起了重要的作用。分布式系統(tǒng)的使用，也使工廠的優(yōu)化、基于故障診斷的維護和數據處理方面都發(fā)生了巨的優(yōu)化、基于故障診斷的維護和數據處理方面都發(fā)生了巨大的變化。大的變化。 傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法機械電子方法機械電子方法 化化工工過過程程計算機集中控制計算機集中控制全部儀表和傳感器用導線全部儀表和傳感器用導線聯(lián)接到中心控制計算機聯(lián)接到中心控制計算機過程的各部分缺乏靈活性過程的各部分缺乏靈活性出于安全考慮大量采用出于安全考慮大量采用 電電-氣動元件氣動元件具有局

22、部決策能力的分布式處理具有局部決策能力的分布式處理 采用局部控制回路減少電纜聯(lián)接采用局部控制回路減少電纜聯(lián)接 既可全過程優(yōu)化也可分段優(yōu)化既可全過程優(yōu)化也可分段優(yōu)化 大規(guī)模集成電路的使用降低了功耗大規(guī)模集成電路的使用降低了功耗 系統(tǒng)本身的安全性得到改善，從而系統(tǒng)本身的安全性得到改善，從而 可以使用電控手段可以使用電控手段 24機械電子在制造業(yè)中應用范例機械電子在制造業(yè)中應用范例n在加工業(yè)中，基于可編程控制器的廉價微處理機作為許多在加工業(yè)中，基于可編程控制器的廉價微處理機作為許多工廠的基本控制單元已有多年。并且，傳感技術方面也有工廠的基本控制單元已有多年。并且，傳感技術方面也有了長足的發(fā)展，為了滿

23、足高精度的自校正、監(jiān)控、檢測技了長足的發(fā)展，為了滿足高精度的自校正、監(jiān)控、檢測技術要求，大規(guī)模集成電路（術要求，大規(guī)模集成電路（VLSI）技術也被廣泛使用。）技術也被廣泛使用。傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法機械電子方法機械電子方法 機械制造系統(tǒng)機械制造系統(tǒng)專用數控機床控制器專用數控機床控制器基本上是獨立工作方式基本上是獨立工作方式人工完成質量檢驗和質量保證人工完成質量檢驗和質量保證手工裝卸工件和刀具手工裝卸工件和刀具設備損壞后才進行修理設備損壞后才進行修理網絡化的數控機床控制器，能網絡化的數控機床控制器，能夠遙控夠遙控 構成柔性制造系統(tǒng)構成柔性制造系統(tǒng) 加工過程中自動進行質量檢驗加工過程中自動進行質量檢驗、

24、數據采集和報告、數據采集和報告 由機械手自動裝卸工件和變換由機械手自動裝卸工件和變換刀具刀具 在線診斷和工作狀態(tài)監(jiān)測，能在線診斷和工作狀態(tài)監(jiān)測，能預測故障預測故障25學習機械電子工程的意義與要求學習機械電子工程的意義與要求 n機械電子工程的設計既與初步設計有關，也與具機械電子工程的設計既與初步設計有關，也與具體設計有關。這就需要每個設計者在整個設計過體設計有關。這就需要每個設計者在整個設計過程中對所設計部分有充分的了解，以保證最終設程中對所設計部分有充分的了解，以保證最終設計和產品目標的順利完成。計和產品目標的順利完成。 n為此，設計者必須具備足夠的知識，充分了解在為此，設計者必須具備足夠的知

25、識，充分了解在某一特殊的技術領域中，哪些知識是可資利用的，某一特殊的技術領域中，哪些知識是可資利用的，哪些是不能利用的。哪些是不能利用的。 26中型載重卡車中的自適應柔性懸掛系統(tǒng)中型載重卡車中的自適應柔性懸掛系統(tǒng) n這個懸掛系統(tǒng)這個懸掛系統(tǒng)是支撐在空氣是支撐在空氣彈簧之上的，彈簧之上的，每個彈簧對應每個彈簧對應其中的一個輪其中的一個輪子（該系統(tǒng)的子（該系統(tǒng)的三個軸上裝有三個軸上裝有六個輪子）。六個輪子）。通過傳感器可通過傳感器可以測量到每個以測量到每個輪子的垂直位輪子的垂直位置、速度和加置、速度和加速度等當前值。速度等當前值。 27中型載重卡車中的自適應柔性懸掛系統(tǒng)中型載重卡車中的自適應柔性懸

26、掛系統(tǒng)n在車載微處理器的控制下，就可使用快速橫向氣在車載微處理器的控制下，就可使用快速橫向氣流閥來調整各個彈簧的壓力；電氣切換的雙比阻流閥來調整各個彈簧的壓力；電氣切換的雙比阻尼器可調整車輛的行駛狀態(tài)。尼器可調整車輛的行駛狀態(tài)。 n系統(tǒng)有三種可能的運行模式：系統(tǒng)有三種可能的運行模式：靜態(tài)情形：要有靜態(tài)持平能力，能調節(jié)裝載高度，確靜態(tài)情形：要有靜態(tài)持平能力，能調節(jié)裝載高度，確保車廂載貨底板處于水平狀態(tài)；保車廂載貨底板處于水平狀態(tài)； 擬靜態(tài)情形：當車輛轉彎及改道時，即產生一個側向擬靜態(tài)情形：當車輛轉彎及改道時，即產生一個側向加速度，這個加速度可能會導致翻車。加速度，這個加速度可能會導致翻車。 動態(tài)情形：當卡車在粗糙的路面上行駛時，在每個輪動態(tài)情形：當卡車在粗糙的路面上行駛時，在每個輪子上監(jiān)測懸掛系統(tǒng)的狀況，就可調整阻尼比，得到理子上監(jiān)測懸掛系統(tǒng)的狀況，就可調整阻尼比，得到理想的行駛狀況。想的行駛狀況。 28中型載重卡車中的自適應柔性懸掛系統(tǒng)中型載重卡車中的自適應柔性懸掛系統(tǒng)n系統(tǒng)從概念到硬、軟件的實現，要由許多個設計者來系統(tǒng)從概念到硬、軟件的實現，要由許多個設計者來完成，這需要他們具有以下各方面的知識和能力：完成，這需要他們具有以下各方面的知識和能力： 1) 具有多自由度的質量彈